1、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程(第四版)，第二章數(shù)據(jù)通信和廣域網(wǎng)技術(shù)，本章學(xué)習(xí)要求：掌握數(shù)據(jù)通信的基本概念，了解傳輸介質(zhì)的類型和主要特點(diǎn)，掌握無(wú)線和衛(wèi)星通信技術(shù)的基本概念，了解數(shù)據(jù)編碼的類型和基本方法，掌握基帶傳輸?shù)幕靖拍?，掌握頻帶傳輸?shù)幕靖拍?，掌握?fù)用的分類和特點(diǎn)，掌握廣域網(wǎng)中數(shù)據(jù)交換技術(shù)的類型和工作原理，掌握差錯(cuò)控制方法。2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念，2.1.1信息、數(shù)據(jù)和信號(hào)通信的目的是交換信息。信息的載體可以是數(shù)字、字符、聲音、圖形或圖像，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的信息一般是字母、數(shù)字、聲音、圖形或圖像的組合；為了傳遞這些信息，字母、數(shù)字、聲音、圖形或圖像應(yīng)該首先用二進(jìn)制代碼數(shù)據(jù)來(lái)表示。為了傳輸二進(jìn)制編碼數(shù)據(jù)，它們

2、必須用模擬或數(shù)字信號(hào)編碼來(lái)表示；數(shù)據(jù)通信指的是在不同計(jì)算機(jī)之間傳輸模擬或數(shù)字信號(hào)的過(guò)程，這些信號(hào)代表二進(jìn)制代碼0和1位字母、數(shù)字和符號(hào)序列。信息編碼標(biāo)準(zhǔn)ASCII碼已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO所接受，成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 646，也稱為國(guó)際5號(hào)；它用于計(jì)算機(jī)內(nèi)部編碼，也是數(shù)據(jù)通信的編碼標(biāo)準(zhǔn)。ASCII碼采用7位二進(jìn)制位編碼，可代表128個(gè)字符；字符分為圖形字符和控制字符。圖形字符包括數(shù)字、字母、操作符號(hào)、商業(yè)符號(hào)等。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多媒體技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用；利用數(shù)字通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多媒體信息傳輸是通信技術(shù)研究的重要內(nèi)容之一。與文本和圖形信息傳輸相比，語(yǔ)音和圖像信息傳輸要求數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)具有高速、低

3、延遲的特點(diǎn)；如果每幀圖像由1024768個(gè)格子組成，有256種顏色，每個(gè)格子用1字節(jié)二進(jìn)制數(shù)表示，每秒傳輸30幀圖像，那么每秒需要傳輸235，929，601字節(jié)。如果傳輸數(shù)字化語(yǔ)音信號(hào)，語(yǔ)音信號(hào)每秒采樣22050次，每個(gè)采樣值用1字節(jié)表示，那么單聲道每秒需要傳輸22050字節(jié)；雙通道立體聲每秒需要傳輸44，100字節(jié)；多媒體技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用將對(duì)數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)提出更高的要求。信號(hào)的概念，是數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中電信號(hào)的表示；模擬信號(hào)的信號(hào)電平不斷變化。數(shù)字信號(hào)是一個(gè)電壓脈沖信號(hào)，有兩個(gè)不同的電平來(lái)表示0和1位序列。根據(jù)傳輸介質(zhì)上傳輸?shù)男盘?hào)類型，通信系統(tǒng)分為模擬通信系統(tǒng)和數(shù)字通信系統(tǒng)。模擬和數(shù)字信號(hào)波形，

4、2.1.2數(shù)據(jù)傳輸類型和通信方法，網(wǎng)絡(luò)中兩臺(tái)計(jì)算機(jī)的通信過(guò)程，網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要解決的幾個(gè)基本問(wèn)題：數(shù)據(jù)傳輸類型模擬通信數(shù)字通信數(shù)據(jù)通信模式串行通信，并行通信單工通信，半雙工或全雙工通信同步通信異步通信，串行通信和并行通信，單工，半雙工和全雙工通信，同步和異步通信，2.2傳輸介質(zhì)及其主要特點(diǎn)， 2.2.1傳輸介質(zhì)的主要類型雙絞線同軸電纜光纖電纜無(wú)線和衛(wèi)星通信信道傳輸介質(zhì)特性：物理特性：傳輸介質(zhì)物理結(jié)構(gòu)的描述； 傳輸特性：傳輸介質(zhì)允許傳輸數(shù)字或模擬信號(hào)，以及調(diào)制技術(shù)、傳輸容量和傳輸頻率范圍；連接特性：允許點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或多點(diǎn)連接；地理范圍：傳輸媒介的最大傳輸距離；抗干擾：傳輸介質(zhì)防止噪聲和電磁干擾影

5、響傳輸數(shù)據(jù)的能力；相對(duì)價(jià)格：設(shè)備、安裝和維護(hù)成本。雙絞線屏蔽雙絞線STP非屏蔽雙絞線UTP 2 . 2 . 3同軸電纜的主要特性粗同軸電纜細(xì)同軸電纜2.2.4光纖的主要特性2.3無(wú)線和衛(wèi)星通信技術(shù)2.3.1電磁頻譜和移動(dòng)通信2.3.2無(wú)線通信大氣對(duì)微波信號(hào)的吸收和散射有很大影響。2.3.4蜂窩無(wú)線通信，多址方法：頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(時(shí)分多址)、碼分多址(碼分多址)、2.3.5衛(wèi)星通信、2.4數(shù)據(jù)編碼技術(shù)、2.4.1數(shù)據(jù)編碼類型、2.4.2模擬數(shù)據(jù)編碼方法、2每個(gè)量化級(jí)別由7位二進(jìn)制編碼表示。采樣率為8000個(gè)樣本/秒；數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到7位8000/s=56 kbps；如果每個(gè)量化

6、級(jí)別由7 1=8位二進(jìn)制編碼表示；數(shù)據(jù)傳輸速率應(yīng)達(dá)到8位8000/s=64Kbps。2.5基帶傳輸技術(shù)，2.5.1數(shù)據(jù)通信中基帶傳輸?shù)亩x，代表計(jì)算機(jī)二進(jìn)制位序列的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)信號(hào)是典型的矩形脈沖信號(hào)；矩形脈沖信號(hào)的自然頻帶稱為基本頻帶，簡(jiǎn)稱基帶信號(hào)。在數(shù)字通信信道上，直接傳輸基帶信號(hào)的方法稱為基帶傳輸。在發(fā)送端，基帶傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由編碼器轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)直接傳輸，如曼徹斯特編碼或差分曼徹斯特編碼信號(hào)；在接收端，解碼器將其恢復(fù)為與發(fā)送端相同的矩形脈沖信號(hào)?；鶐鬏斒亲罨镜臄?shù)據(jù)傳輸方式之一。2.5.2通信信道帶寬對(duì)基帶傳輸?shù)挠绊懀?.5.3數(shù)據(jù)傳輸速率和信道速率限制的定義，數(shù)據(jù)傳輸速率的定義數(shù)據(jù)傳輸速率

7、是描述數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)；數(shù)據(jù)傳輸速率在數(shù)字上等于構(gòu)成每秒傳輸?shù)臄?shù)據(jù)碼的二進(jìn)制位數(shù)，單位為比特/秒，記錄為bps；常用的數(shù)據(jù)傳輸速率單位有：Kbps、Mbps、Gbps和Tb/s，其中：1k bps=1103 bps 1 Mbps=1106 bps 1 Gbps=1109 bps 1 tbps=11012 bps，信道速率限值，奈奎斯特準(zhǔn)則：二進(jìn)制數(shù)據(jù)信號(hào)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax與通信信道帶寬B(B=f，單位Hz)香農(nóng)理論：當(dāng)在具有隨機(jī)熱噪聲的信道上傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)時(shí)，數(shù)據(jù)傳輸速率Rmax與信道帶寬B和2.6頻帶傳輸技術(shù)，2.6.1頻帶傳輸?shù)亩x使用模擬信道傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)的方法稱為頻帶

8、傳輸；調(diào)制解調(diào)器是頻帶傳輸中最典型的通信設(shè)備。2.6.2調(diào)制解調(diào)器的基本工作原理，它將計(jì)算機(jī)中的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，在發(fā)送端通過(guò)電話線傳輸；在接收端，從電話線接收的模擬信號(hào)被恢復(fù)成數(shù)字信號(hào)。FSK模式調(diào)制解調(diào)器的工作原理，與調(diào)制解調(diào)器實(shí)現(xiàn)全雙工通信的工作原理，調(diào)制解調(diào)器的分類和應(yīng)用，外部調(diào)制解調(diào)器與計(jì)算機(jī)的連接，2.7復(fù)用技術(shù)，2.7.1復(fù)用技術(shù)，分類頻分復(fù)用FDM波分復(fù)用WDM時(shí)分復(fù)用時(shí)分復(fù)用，2.7.2頻分復(fù)用每個(gè)信道的信號(hào)用不同的載波頻率調(diào)制。每個(gè)載波頻率不重疊，一條通信線路可以同時(shí)獨(dú)立傳輸多個(gè)信號(hào)。2.7.3波分復(fù)用，光纖通道技術(shù)采用波分復(fù)用方法，簡(jiǎn)稱波分復(fù)用WDM；在光纖上多路傳

9、輸80個(gè)或更多的光載波信號(hào)被稱為密集波分復(fù)用；目前，單模光纖的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)20Gbps。，2.7.4時(shí)分復(fù)用，它將傳輸信道的時(shí)間分成幾個(gè)時(shí)間片；給每個(gè)用戶分配一個(gè)時(shí)間片；在每個(gè)用戶占用的時(shí)間片內(nèi)，用戶使用通信信道的全部帶寬。時(shí)分復(fù)用的分類，同步時(shí)分復(fù)用，統(tǒng)計(jì)時(shí)分復(fù)用，2.8數(shù)據(jù)交換方法，2.8.1線路交換方式線路交換是一種面向連接的服務(wù)；在兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)通信子網(wǎng)交換數(shù)據(jù)之前，應(yīng)該首先在通信子網(wǎng)中建立實(shí)際的物理線路連接。線路交換在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中經(jīng)歷三個(gè)階段：連接建立、數(shù)據(jù)傳輸和連接釋放。線路切換模式的優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)性強(qiáng)，適合交互式會(huì)話通信；線路切換模式的缺點(diǎn)：不適合突發(fā)通信，系統(tǒng)效率低，系統(tǒng)沒(méi)有

10、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的能力，業(yè)務(wù)量不能平滑。線路交換模式的工作原理、2.8.2存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換模式，存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換模式與線路交換模式的主要區(qū)別：發(fā)送的數(shù)據(jù)與目的地址、源地址和控制信息形成一個(gè)數(shù)據(jù)單元(報(bào)文或數(shù)據(jù)包)以一定的格式進(jìn)入通信子網(wǎng)；通信子網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)是通信控制處理器，它負(fù)責(zé)接收、錯(cuò)誤檢查、存儲(chǔ)、路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)單元。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)交換模式分類：當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)通信子網(wǎng)傳輸時(shí)，可以有兩種模式：消息和數(shù)據(jù)包；消息傳輸：將數(shù)據(jù)作為一個(gè)邏輯單元發(fā)送，而不考慮其長(zhǎng)度；分組傳輸：限制一次性傳輸數(shù)據(jù)的最大長(zhǎng)度。如果傳輸數(shù)據(jù)超過(guò)指定的最大長(zhǎng)度，發(fā)送節(jié)點(diǎn)將把它分成多個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行傳輸。分組和分組結(jié)構(gòu)，由于分組長(zhǎng)度短，當(dāng)傳輸錯(cuò)誤時(shí)，檢錯(cuò)容易

11、，重傳耗時(shí)少；限制數(shù)據(jù)包的最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有利于提高存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間利用率和傳輸效率；公共數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)采用分組交換技術(shù)。存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)模式的優(yōu)點(diǎn)由于通信子網(wǎng)中的通信控制處理器可以存儲(chǔ)數(shù)據(jù)包，多個(gè)數(shù)據(jù)包可以共享通信信道，線路利用率高；通信子網(wǎng)中的通信控制處理器具有路徑選擇功能，可以動(dòng)態(tài)選擇數(shù)據(jù)包通過(guò)通信子網(wǎng)的最佳路徑；它可以平滑流量，提高系統(tǒng)效率。當(dāng)分組通過(guò)通信子網(wǎng)中的每個(gè)通信控制處理器時(shí)，需要錯(cuò)誤檢查和錯(cuò)誤校正，因此可以減少傳輸錯(cuò)誤并提高系統(tǒng)可靠性。通過(guò)通信控制處理器，可以轉(zhuǎn)換不同通信速率的線路，也可以轉(zhuǎn)換不同的數(shù)據(jù)編碼格式。2.8.3數(shù)據(jù)報(bào)模式，這是一種數(shù)據(jù)包存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)的形式；在數(shù)據(jù)報(bào)模式下，在數(shù)據(jù)

12、包傳輸之間，無(wú)需事先在源主機(jī)和目的主機(jī)之間建立“線路連接”；源主機(jī)發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包可以獨(dú)立選擇傳輸路徑；每個(gè)數(shù)據(jù)包都可以通過(guò)通信子網(wǎng)中不同的傳輸路徑到達(dá)目的主機(jī)。數(shù)據(jù)報(bào)模式的工作原理，數(shù)據(jù)報(bào)模式的特點(diǎn)，同一報(bào)文的不同數(shù)據(jù)包可以通過(guò)不同的傳輸路徑通過(guò)通信子網(wǎng)；相同消息的不同分組在到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)可能出現(xiàn)無(wú)序、重復(fù)和丟失；在傳輸過(guò)程中，每個(gè)數(shù)據(jù)包必須有一個(gè)目的地址和一個(gè)源地址。數(shù)據(jù)報(bào)模式在消息傳輸中有很大的延遲，這適用于突發(fā)通信，但不適用于長(zhǎng)消息和會(huì)話通信。2.8.4虛擬電路模式，試圖將數(shù)據(jù)報(bào)模式與電路交換模式相結(jié)合，充分發(fā)揮兩種方法的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到最佳的數(shù)據(jù)交換效果；在數(shù)據(jù)報(bào)模式下，在數(shù)據(jù)包傳輸之前，

13、不需要預(yù)先在發(fā)送方和接收方之間建立連接。虛電路模式需要在發(fā)送分組之前在發(fā)送方和接收方之間建立邏輯連接的虛電路；虛擬電路模式與電路切換模式相同，整個(gè)通信過(guò)程分為以下三個(gè)階段：虛擬電路建立、數(shù)據(jù)傳輸和虛擬電路釋放。虛電路模式的工作原理，虛電路模式的特點(diǎn)，在發(fā)送每個(gè)數(shù)據(jù)包之前，必須在發(fā)送方和接收方之間建立邏輯連接。這是因?yàn)椴恍枰嬲⑽锢礞溌?，并且連接發(fā)送者和接收者的物理鏈路已經(jīng)存在；通信的所有數(shù)據(jù)包都是通過(guò)這個(gè)虛擬電路按順序傳輸?shù)模虼藬?shù)據(jù)包不需要攜帶目的地址和源地址等輔助信息。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)時(shí)，不會(huì)有丟失、重復(fù)和混亂；當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)包通過(guò)虛擬電路上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，該節(jié)點(diǎn)只需要進(jìn)行錯(cuò)誤檢測(cè)，而不

14、需要進(jìn)行路徑選擇；每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以與任何節(jié)點(diǎn)建立多個(gè)虛擬電路連接。2.8.5自動(dòng)柜員機(jī)交換模式，自動(dòng)柜員機(jī)的基本數(shù)據(jù)傳輸單位是信元；單元長(zhǎng)度固定為53字節(jié)。一個(gè)單元包括一個(gè)5字節(jié)的單元頭和48字節(jié)的用戶數(shù)據(jù)。物理鏈路、虛擬路徑和虛擬信道的關(guān)系、物理鏈路、虛擬路徑、虛擬信道、支持遠(yuǎn)程教育的自動(dòng)柜員機(jī)網(wǎng)絡(luò)、2.9錯(cuò)誤控制方法、2.9.1錯(cuò)誤原因和錯(cuò)誤類型傳輸錯(cuò)誤是指接收的數(shù)據(jù)通過(guò)通信信道后與發(fā)送的數(shù)據(jù)不一致的現(xiàn)象；差錯(cuò)控制是檢查是否有差錯(cuò)以及如何糾正它們；通信信道的噪聲可分為兩類：熱噪聲和脈沖噪聲；熱噪聲引起的誤差是隨機(jī)誤差(或隨機(jī)誤差)；脈沖噪聲引起的誤差是突發(fā)誤差(或突發(fā)誤差)；通信過(guò)程中的傳輸錯(cuò)

15、誤由隨機(jī)錯(cuò)誤和突發(fā)錯(cuò)誤組成。2.9.2誤碼率的定義，誤碼率是指數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中二進(jìn)制碼元傳輸不正確的概率，在數(shù)值上近似等于Pe=Ne/N，其中N是傳輸?shù)亩M(jìn)制碼元總數(shù)，Ne是傳輸?shù)拇a元數(shù)；誤碼率應(yīng)該是衡量正常工作條件下數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)傳輸可靠性的參數(shù)之一。對(duì)于一個(gè)實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，一般不能說(shuō)誤碼率越低越好，誤碼率應(yīng)該根據(jù)實(shí)際的傳輸要求提出；對(duì)于實(shí)際的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，如果傳輸不是二進(jìn)制位，就應(yīng)該轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制位進(jìn)行計(jì)算；錯(cuò)誤的發(fā)生是隨機(jī)的。當(dāng)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)時(shí)，測(cè)量的傳輸二進(jìn)制位數(shù)越大，就越接近真實(shí)的誤碼率。2.9.3檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼、糾錯(cuò)碼：每個(gè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包攜帶足夠的冗余信息；接收端可以發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)糾

16、正傳輸錯(cuò)誤。檢錯(cuò)碼：包只包含足夠接收端發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤的冗余信息；接收器可以發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，但不能確定哪一個(gè)是錯(cuò)誤的，也不能自己糾正傳輸錯(cuò)誤。2.9.4循環(huán)冗余編碼的工作原理、標(biāo)準(zhǔn)CRC生成多項(xiàng)式G(x)，CRC-12g(x)=x12x2x2x 1x 1 CRC-16g(x)=x16x 15x 21 cc-CCITT G(x)=x16x 12x 51 cc-32g(x)=x32x 26x 23x 22x 16x 12x 11x 10x 8x 7x 5x 4x 2x 1，CRC校驗(yàn)碼的檢錯(cuò)能力。CRC校驗(yàn)碼可以檢查所有離散的兩個(gè)位錯(cuò)；CRC校驗(yàn)碼可以檢查所有的奇數(shù)錯(cuò)誤；循環(huán)冗余校驗(yàn)碼可以校驗(yàn)長(zhǎng)度小于或等于K位的所有突發(fā)錯(cuò)誤；循環(huán)冗余校驗(yàn)碼可以檢測(cè)長(zhǎng)度為(K 1)比特的突發(fā)錯(cuò)誤，概率為1-(1/2)k1；如果K=16，則所有小于或等于16位的突發(fā)錯(cuò)誤都可以通過(guò)循環(huán)冗余